DE4427295A1 - Elektrischer Sprengzünder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Sprengzünder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der Sprengtechnik ist es üblich, die auf eine Vielzahl von Bohrlöchern verteilte Sprengstoffmenge nicht zeitgleich durch Momentzünder zu initiieren, sondern auf verschiedene Zeitstufen zu verteilen. Man erreicht auf diese Weise eine Minimierung der mit der Sprengung verbundenen Erschütterungen und eine gezielte Zerkleinerung des Haufwerkes. Das Abtun der Sprengung erfolgt heutzutage hauptsächlich mit konventionellen elektrischen oder nichtelektrischen Zündsystemen, denen ein pyrotechnisches Verzögerungsprinzip zugrunde liegt. Die Intervalle zwischen den einzelnen Zeitstufen betragen typischerweise 20 bis 500 ms, während die Anzahl der Zeitstufen je pyrotechnischem System etwa bei 20 liegt.

Bei konventionellen elektrischen Sprengzündern wird dem Anzündelement (vorzugsweise Anzündpille) die elektrische Energie über die Zünderdrähte zugeführt. Durch ohmsche (widerstandsabhängige) Aufheizung des Brückendrahtes erfolgt die Anzündung der Anzündmischung. Die chemische Umsetzung der Anzündmischung bewirkt eine Anzündung des im Verzögerungskörper befindlichen pyrotechnischen Verzögerungssatzes. Nach Durchbrennen des Verzögerungssatzes wird eine Primärladung gezündet. Diese Primärladung kann aus einem Initialsprengstoff (vorzugsweise Bleiazid) oder einer DDT-fähigen Ladung bestehen. Die detonative Wirkung der Primärladung initiiert die Unterladung, die ihrerseits die Umsetzung des den Zünder umgebenden Sprengstoffes einleitet. Die Verzögerungszeiten bei konventionellen pyrotechnischen Verzögerungssystemen können u. a. durch die Satzzu­ sammenstellung, die Satzdichte und die Länge der Satzsäule eingestellt werden.

Zum Abtun der Sprengung wird bei konventionellen elektrischen Zündsystemen die notwendige Anzahl von Zündern in Parallel-, Serien- oder Parallel-Serien- Schaltung mit einer einfachen Kondensatorzündmaschine verbunden. Die Auslegung und Berechnung eines so aufgebauten Zündkreises erfolgt nach elementaren Regeln der Elektrotechnik (Ohmsches Gesetz, Zündimpuls). Die Prüfung der Schaltung ist mit einfachen Meßgeräten möglich. Die elektrische Empfindlichkeit der Sprengzünder wird durch die verwendete Anzündpille festgelegt und kann den jeweils vorliegenden Randbedingungen angepaßt werden.

Neben der konventionellen elektrischen Sprengtechnik mit pyrotechnischer Verzögerung werden zunehmend Systeme mit elektronischer Verzögerung bekannt (EP-B1-0 183 933). Bei derartigen Systemen erfolgt die Verzögerung durch eine elektronische Schaltung im Zünder. Es sind nahezu beliebig viele Zeitstufen und Zeitintervalle bei sehr hoher Genauigkeit realisierbar. Die Verwendung der elektronischen Verzögerung führt nach dem Stand der Technik bei elektrischen Systemen bisher zu einer Integration des äußeren Zündkreises und der internen Verzögerungsschaltung, mit der Konsequenz, daß spezielle, auf das Zündsystem abgestimmte Zündmaschinen notwendig werden.

Aus der DE-A1 42 18 881 ist ein gattungsgemäßer Zünder mit digitaler Verzögerung bekannt. Dieser Zünder besteht aus einem rohrförmigen Gehäuse das einen Verzögerungszünder umgibt, und das an einem Ende geschlossen ist und am anderen Ende mit einem Stoßwellenrohr (Sprengschlauch) verbunden ist. Der Energieausgang des Sprengschlauches betätigt eine Initialzündladung, deren Energieausgang auf einen piezokeramischen Wandler gerichtet ist, um einen elektrischen Energieausgang zu erzeugen. Dieser elektrische Energieausgang wird an eine Verzögerungsschaltung gelegt, wobei diese zum Steuern eines Zündsignals dient, das an ein Zündelement nach dem Ablauf einer vorbestimmten Zeitverzögerung angelegt wird.

Ein ähnlicher Zünder ist in der WO 89/01601 offenbart.

Die bisherigen konventionellen pyrotechnischen Sprengzünder zeigen in ihren Verzögerungszeiten verfahrensbedingt eine statistische Streuung, die Abstand und Anzahl der Zeitstufen begrenzt. Pyrotechnische Sätze neigen bei langer Lagerung zur Veränderung ihres Durchbrennverhaltens, so daß die gleichzeitige Verwendung von neuen und länger gelagerten Sprengzündern zu Problemen führen kann. Die Produktion qualitativ hochwertiger Verzögerungszünder ist mit hohem Aufwand verbunden und die Qualität durch die physikalischen Eigenschaften der verwendeten Verzögerungssatzsysteme grundsätzlich begrenzt.

Elektronische programmierbare Zündsysteme vermeiden die oben aufgeführten Nachteile bezüglich der Verzögerungszeit und liefern Verzögerungszeiten mit einer Genauigkeit besser als 1 Millisekunde. Ein Nachteil derartiger elektronischer Zündsysteme liegt darin, daß die Zündkreise (Verdrahtung), Zünder und eigens hierfür entwickelten Zündgeräte (Zündmaschinen) aufeinander abgestimmt sein müssen. So ist es z. B. nicht möglich, elektronische Zünder mit einer gebräuchlichen, handelsüblichen Kondensator-Zündmaschine auszulösen.

Elektronische Zünder mit einer Initiierung durch einen Sprengschlauch haben beispielsweise den Nachteil, daß sie im Gegensatz zur konventionellen elektrischen Zündung für gewisse Sprengarbeiten (z. B. Salzbergbau) nicht zu verwenden sind und eine Überprüfung des Zündkreises kurz vor der Zündung nicht mehr möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Sprengzünder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart zu verbessern, daß er gegenüber dem konventionellen elektrischen Zünder mit pyrotechnischer Zeitverzögerung eine verbesserte Zeitgenauigkeit aufweist und die weitere Nutzung der herkömmlichen Zündmaschine und Zündtechnik für elektrische Zünder erlaubt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß in das Gehäuse Zünderdrähte in ein primäres Anzündelement führen, welches bei der Zündung eine Energiequelle in einem Verzögerungszündelement aktiviert bzw. in Gang setzt, wodurch die Verzögerungsschaltung startet.

Hierdurch kann der erfindungsgemäße Sprengzünder mit handelsüblichen Zündmaschinen gezündet werden. Der Einsatz ist auch zusammen mit konventionellen elektrischen Zündern möglich. Die Verzögerungszeit wird werkseitig in der elektronischen Verzögerungsschaltung eingestellt. Ihre Auslösung erfolgt über das primäre Anzündelement, welches eine Energiequelle im Verzögerungszündelement aktiviert bzw. in Gang setzt, wodurch die Verzögerungsschaltung startet.

Vorteilhafterweise ist das primäre Anzündelement eine Anzündpille bzw. eine Brückenanzündpille. Es sind jedoch auch Spaltdetonatoren, Brückendetonatoren Schichtelemente usw. zweckmäßig. Wichtig ist, daß mit dem Zünden des primären Anzündelements eine Energiequelle im Verzögerungszündelement aktiviert bzw. in Gang gesetzt wird, wodurch ein Starten der Verzögerungsschaltung erfolgt.

Erfindungsgemäß sind drei bevorzugte Ausführungsformen zum Starten der Verzögerungsschaltung vorgesehen.

Bei der ersten bevorzugten Variante sind im Verzögerungszündelement eine aktive Batterie und ein die Verzögerungsschaltung in Gang setzender Schalter angeordnet, wobei der Schalter durch die Zündung des primären Anzündelementes betätigt wird. Als Batterie kann z. B. eine handelsübliche Knopfzelle des Typs Lithium-Mangan-Dioxid verwendet werden. Als Schalter werden bevorzugt mechanische oder optoelektronische Schalter, Thermoschalter oder Ionenstromschalter verwendet. Als mechanische Schalter, die durch den vom primären Anzündelement erzeugten Druck betätigt werden, eignen sich bevorzugt Kolbenschalter oder Membranschalter. Optoelektronische Schalter werden durch das vom primären Anzündelement erzeugte Licht betätigt. Ausgeführt werden sie z. B. als selbsthaltende Fototransistorschaltung. Thermoschalter werden durch die vom primären Anzündelement erzeugte Wärme betätigt, z. B. durch Schmelzen einer Isolierschicht zwischen zwei Kontakten. Ionenstromschalter nutzen die ionisierende Eigenschaft der Reaktionsflamme des Anzündelementes bzw. der Anzündpille. Bei Vorhandensein eines ionisierenden Gases stellt der Ionenstromschalter einen Kontakt zwischen zwei Polen her. Vorzugsweise wird eine serielle Kombination aus den vorgenannten Prinzipien angewendet.

Bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform ist im Verzögerungszündelement eine durch die Zündung des primären Anzündelementes aktivierbare Batterie oder Thermobatterie angeordnet, die nach Aktivierung die Verzögerungs­ schaltung in Gang setzt. Aktivierbare Batterien und Thermobatterien haben den Vorteil der langen Lagerfähigkeit. Außerdem ist kein zusätzlicher Schalter erforderlich.

In einer dritten bevorzugten Ausführungsform ist im Verzögerungszündelement ein durch die Zündung des primären Anzündelementes beaufschlagter piezoelektrischer Wandler, insbesondere mit vorgeschaltetem Explosivstoff angeordnet, wobei der piezoelektrische Wandler nach Aktivierung die Energie für die Verzögerungsschaltung liefert.

Es ist in einigen Fällen zweckmäßig, im Verzögerungszündelement einen Kondensator anzuordnen, der z. B. vom piezoelektrischen Wandler oder der Batterie aufgeladen wird.

Das Verzögerungszündelement besteht, wie schon ausgeführt, aus einer Verzögerungsschaltung - Zeitglied bzw. Timer - mit einer Endstufe und einer aktivierbaren bzw. in Gang setzbaren Energiequelle. Das sekundäre Anzündelement ist daran angeschlossen.

Die Verzögerungsschaltung ist z. B. eine analoge RC-Kombination, wobei die Zeitverzögerung durch die Zeitkonstante R·C gegeben ist, oder ein digitaler Zähler und ein extern beschaltbarer Oszillator. Die Zeitverzögerung wird durch die externen Elemente R und C definiert. Der Oszillator ist ein handelsüblicher Baustein. Ferner sind auch einstellbare digitale Zähler mit integriertem Oszillator zweckmäßig. Die Zeitverzögerung wird durch externe Einstellung eines Zählers durch z. B. Bondung realisiert. Dieser Baustein ist handelsüblich und wird z. B. in der Uhrenindustrie verwendet.

Die Endstufe dient als elektrischer Schalter zwischen der Energieversorgung und dem sekundären Anzündelement. Sie wird durch den Impuls des Timers angesteuert. Technisch ist die Endstufe durch einen Transistor oder Thyristor oder Darlington Schaltung realisierbar.

Das sekundäre Anzündelement dient zur Initiierung der Wirkladung des Zünders vorzugsweise über eine Primärladung aus Bleiazid, jedoch auch primärstofffrei z. B. als DDT-Ladung. Das sekundäre Anzündelement ist z. B. eine 20 Ohm Zündpille (der Batterieleistung angepaßt), ein Detonator oder ein Metallschichtelement.

Die in der elektrischen Sprengtechnik üblichen Verfahren von Serien- oder Parallelschaltung oder eine Kombination aus beiden sind wegen der absolut identischen eingangs erwähnten Charakteristik (gleicher Zündimpuls, gleicher Widerstand) bei Verwendung der herkömmlichen Zündmaschinen auch weiterhin ohne Abänderung einsetzbar.

Weitere Vorteile der Erfindung liegen in:

• a) der besseren Genauigkeit der elektronischen Zeitverzögerung gegenüber der verfahrensbedingt mit Streuung behafteten pyrotechnischen Zeitverzögerung,
• b) der Realisierung höherer Zeitstufenzahlen und
• c) der Realisierung nahezu beliebiger voreinstellbarer Verzögerungszeiten, die wesentlich länger als die pyrotechnisch bekannten sein können.

Alle drei Vorteile lassen sich unter Verwendung der bisherigen Zünd- und Verbindungstechniken erreichen.

Die Verwendung dieses neuen Zünders benötigt damit nur die bisher übliche Ausbildung oder Handhabung bei den Anwendern. Der erfindungsgemäße Sprengzünder ist bis auf die einheitliche Länge nicht von den bisherigen konventionellen Zündern zu unterscheiden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, die nachfolgend eingehend erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 im Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Sprengzünder und

Fig. 2 schematisiert Blockschaltbilder dreier Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sprengzünders.

Der in der Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Sprengzünder 1 weist ein langgestrecktes Gehäuse 2 in Form einer zylindrischen rohrförmigen Hülse auf die aus Metall, z. B. aus Kupfer, besteht. Die Hülse ist am vorderen Ende 15 geschlossen und weist an ihrem rückwärtigen Ende eine Öffnung 16 auf, durch die zwei Zünderdrähte 8 von außen in das Hülseninnere hineinführen. Die Zünderdrähte 8 sind auf einem Teil ihrer Länge von einem Stopfen 17 aus Kunststoff umschlossen, der am rückwärtigen Ende der Hülse durch Eindrückungen 18 des Hülsenmaterials fixiert ist. Die Zünderdrähte 8 sind jeweils mit einem Isoliermantel versehen und nur ihre vorderen Enden sind abisoliert. Die innen aus dem Stopfen 17 herausragenden Enden der Zünderdrähte 8 sind mit den zwei Polen einer Anzündpille 9 elektrisch und mechanisch verbunden. Die Anzündpille 9 ist zum Schutz vor elektrostatischer Zündung in einer zylinderförmigen Hülse 19 aus Kunststoff geführt. Vor der Anzündpille 9 ist ein elektronisches Verzögerungszündelement (electronic delay element - EDE) 20 angeordnet. Dieses Verzögerungszündelement 20 beinhaltet eine Verzögerungsschaltung 7 mit einer Endstufe für ein sekundäres Zündelement 5 (Anzündpille), welches hinter dem Verzögerungszündelement 20 angeordnet ist und frei in einen Hohlraum 21 der Hülse hinein absteht.

Das Verzögerungszündelement 20 weist ferner je nach Ausführungsform noch eine aktive oder aktivierbare Batterie und einen Schalter oder einen piezoelektrischen Wandler auf. Genauer wird dies noch anhand von Fig. 2 beschrieben.

Im vorderen Ende des Gehäuses 2 bzw. im Hülsenkopf ist eine Primärladung 3 und eine Sekundärladung 4 angeordnet. Die Primärladung 3 ist zum Schutz gegen Schlagbelastung in einem Metallkörper 22 - einem sogenannten NME- Körper (Nicht-Massen-Explosionsgefährlich) - untergebracht. Anstelle der Primärladung kann auch eine DDT-Ladung verwendet werden.

Fig. 2 zeigt drei Ausführungsformen Fig. 2a, Fig. 2b und Fig. 2c des Verzögerungszündelementes 20. Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, daß der erfindungsgemäße Sprengzünder an eine herkömmliche Zündmaschine 23 anschließbar ist. Von dieser Zündmaschine 23 führen Zünderdrähte 8 zum Sprengzünder und sind dort mit einer Anzündpille 9 verbunden. Bei der Zündung der Anzündpille 9 durch die Zündmaschine 23 wird das Verzögerungszündelement 20 gestartet. Nach der in der Verzögerungsschaltung 7 mit Endstufe eingestellten Verzögerungszeit wird das sekundäre Zündelement 5 gezündet, worauf die Ladungen 3, 4 detonieren.

Fig. 2a zeigt eine Ausführungsform, bei der im Verzögerungszündelement 20 vor der Verzögerungsschaltung 7 eine durch die Zündung der Anzündpille 9 aktivierbare Batterie 12 als Energiequelle angeordnet ist. Diese Batterie 12 liefert den Strom für die Verzögerungsschaltung 7 und die Endstufe. Die Batterie 12 wird durch die Zündung der Anzündpille 9 aktiviert.

In der in Fig. 2b gezeigten Ausführungsform ist im Verzögerungszündelement 20 vor der Verzögerungsschaltung 7 ein Schalter 11 und eine aktive Batterie 10 angeordnet. Der Schalter 11 wird durch die Zündung der Anzündpille 9 betätigt und startet die Verzögerungsschaltung 7.

In der in Fig. 2c gezeigten Ausführungsform ist im Verzögerungszündelement 20 vor der Verzögerungsschaltung 7 ein piezoelektrischer Wandler 13 mit vorgeschaltetem Explosivstoff 14 angeordnet. Nach Zündung der Anzündpille 9 explodiert der Explosivstoff 14, der auf den piezoelektrischen Wandler 13 einwirkt. Dieser erzeugt den nötigen Strom für die Verzögerungsschaltung 7, die Endstufe und die Zündung der Anzündpille 9. Ggf. wird zur Zwischenspeicherung ein Kondensator im Verzögerungszündelement 20 bzw. in der Verzögerungsschaltung 7 integriert.

Claims (7)

1. Elektrischer Sprengzünder (1) mit einem Gehäuse (2), einer in dem Gehäuse (2) angeordneten Sprengladung (3, 4), einem sekundären Anzündelement (5) zum Zünden der Sprengladung (3, 4), und einer elektronischen Verzögerungsschaltung (7) mit einer Endstufe, die eine eingestellte feste Verzögerung der Zündung des sekundären Anzündelementes (5) nach Eintreffen eines Startimpulses bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß in das Gehäuse (2) Zünderdrähte (8) in ein primäres Anzündelement führen, welches bei Zündung eine Energiequelle in einem Verzögerungszündelement (20) aktiviert bzw. in Gang setzt, wodurch die Verzögerungsschaltung (7) startet.

2. Sprengzünder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das primäre Anzündelement eine Anzündpille (9) ist.

3. Sprengzünder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Verzögerungsschaltung (7) eine aktive Batterie (10) und ein die Verzögerungsschaltung (7) in Gang setzender Schalter (11) angeordnet sind, wobei der Schalter (11) durch die Zündung des primären Anzündelementes betätigt wird.

4. Sprengzünder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (11) ein mechanischer oder optoelektronischer Schalter oder ein Thermoschalter oder ein Ionenstromschalter ist.

5. Sprengzünder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Verzögerungsschaltung (7) eine durch die Zündung des primären Anzündelementes aktivierbare Batterie (12) oder Thermobatterie angeordnet ist, die nach Aktivierung die Verzögerungsschaltung (7) in Gang setzt.

6. Sprengzünder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Verzögerungsschaltung (7) ein durch die Zündung des primären Anzündelementes beaufschlagter piezoelektrischer Wandler (13), insbesondere mit vorgeschaltetem Explosivstoff (14), angeordnet ist, wobei der piezoelektrische Wandler (13) nach Aktivierung die Energie für die Verzögerungsschaltung (7) liefert.

7. Sprengzünder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Verzögerungszündelement (20) ein Kondensator angeordnet ist.